波粒二象性：微观粒子的波动与粒子性

量子力学认为，凡是微观粒子如电子、光子、质子等粒子都具有波粒二象性。也就是说，同一粒子，它既具有波动性，又具有粒子性。例如，光子在传播或集体运动时主要呈现波动性，而在与物质作用时或单独运动时主要呈现粒子性，而在多数情况下它既具有波动性又同时具有粒子性，这种情况叫叠加态，就是两种情况同时加在一起。

这里先说一下光到底是什么。虽然我们天天见到光，但不一定了解光到底是什么。我们知道，白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光组成的（详细图解见附录图8），而光的颜色不同，是因为它的频率不同，波长也不同，从上面的七种颜色光排列的顺序来看，红光频率最小，波长最大，以后依次到紫光，频率逐渐增大，波长逐渐减少。所以，紫光频率最大，波长最小。但是，不管是哪种光，它的波长与频率的乘积都等于光速c（光速c=2.99792458×108米/秒，简单记忆为每秒30万千米）。

光是一种电磁波，我们平常用手机打电话，就是把我们的声波（声波传不远，声波图如图5-1所示）加到无线电波上，这样就能送到远方的手机上。电磁波是一种电磁场在空中的传播，我们知道，用钢笔上的硬橡胶摩擦头皮，可以吸引它附近的小纸硝，这是因为摩擦过的笔杆上带了静电荷，这种静电荷周围具有静电场，电场在吸引物体时并不需要去接触，而是靠近它就可以了。永磁体的周围具有静磁场，它在吸引铁钉时也不需要接触它，而只要靠近就行，因为它靠场物质就可以把力施到铁钉上。但是，这种静电场和静磁场是不能变成电磁波的，而是靠一种变化的电场，它可以在周围空间产生出一个变化的磁场，而变化的磁场又能在周围空间产生一个变化的电场，这样变化的电场和磁场交替在空间产生并传向远方就形成了电磁波，然后把声音波加上去便形成了无线通话，把画面变成波加上去便成了无线电视传播。

图5-1　声波图

机械波在传播的过程中需要别的物质做媒质，例如，用锤子敲一下铜锣，用手去摸一下铜锣的面，感到铜锣在振动，这就是振源。产生机械波需要以下两个条件：一是振源，二是媒质。振源的振动经媒质传播到远方就形成了波，在这里，空气就是传播声波的媒质，铜锣的振动挤压了周围的空气，使空气变成一阵疏，一阵密，这就把声波传出去了。又如，把一石子丢入平静的水中，石头落水处就是振源处，水面呈现出一圈一圈的波纹（如图5-2所示），在这里，水就是传播水波的媒质。

图5-2　水波波纹

但是，电磁波在传播的时候不需要别的物质作媒质，在电场变磁场、磁场又变电场的时候，电磁场本身就是媒质，因为场也是特殊性质的物质，所以它们还可以在太空中（没有媒质的情况下）传播而不需要别的物质作媒质。

因为光也是一种电磁波，只不过我们平常使用的无线电波频率比光波要少一些，波长要大一些就是了，而波长与频率的乘积也等于光速c，也是每秒30万千米。在可见光范围内包括从红到紫共七种颜色的光，但在红光之外还有红外线，在紫光之外有紫外线，还有x射线、轮琴射线、γ射线等，这些统统加起来便形成了电磁波谱（即电磁波大家族），而可见光仅仅只占这个谱线中一个很窄的地方。(www.xing528.com)

可见光分红橙黄绿蓝靛紫，我们的眼睛看到它们的颜色不同，是因为它们的频率不同，从而引起我们的视觉神经不同。平常我们看到的红灯是它发出的红光直接射到我们的眼睛里了，如果看到的红色的衣服等红色的物体，是因为白光照在它的上面，它把其他的光都吸收了，而只把红光反射出来传到我们的眼里了；如果看到它是蓝色的，是它只把蓝色反射出来了，如果看到的是白衣服，说明它把各种颜色的光都反射出来了；如果是黑色，则它把各种光都吸收了，一点也不反射。为什么植物的叶都是绿色的？那是因为自然界中的光中红光的光子频率最低，能量最小，但光子数最多，而紫光的频率最高，单个光子的能量最大，植物在长期的进化过程中把这些能量最大、数量最多的光子都吸收过去为己所用，以便最大限度地利用光的能量，制造更多的营养物质，而唯独把蓝光和绿光留下不用，所以我们看到的植物叶子都是绿色的；至于花朵的颜色是彩色的，其目的是为了吸引蜂蝶帮它们授粉，以繁殖后代，这些都是植物经过长期进化过来的，因为任何进化都是为了生存和繁殖后代。

前文讲到光具有波动性，以下笔者说一下它的粒子性。先看一个实验，在光电效应图5-3中，A是一块锌板，和它相对的B是一块金属板，这两者中间是隔断的，现在可在它们之间加一个电场，B接电源的正极，A接负极，不照光时，电路中电流计没有电流通过，但用超过某一频率的光照射A板时，发现电流计指针偏转了，说明电路中有电流通过，而A、B间又是断开的，说明在光的照射下，有电子从A板飞到了B板。在光电效应图中，A为锌板，B为金属接收屏，A接负、B接正，在A、B间有电场E，但又是断开的，电子能在电场力的作用下由空间从A飞到B，G为电流计不用光照时，G中电流为零，用光照射A版，G中便有了电流。

图5-3　光电效应

这个实验用“光是波”是不能解释的，只有把光看成是粒子就好解释了，光是粒子照在锌板上，就像我们打桌球一样，用母球（白球）去碰某一个色球，母球有一定的速度（动能），在碰撞时，把自己的动能传递给了色球，色球在获得这个动能后，便继续运动。光是粒子，有一定能量，照射锌板时，把能量传给了锌板上的电子，电子在获得速度后，加上又处于电场中，所以就飞到了B板，形成了电流。我们在初中学过，光反射时，反射角等于入射角，如果把光当粒子看，就能更好地解释反射现象了。就像玩篮球一样，把一个充气很足的篮球沿与水平成一定角度打过去，球也以相同的角度反射出去，这叫弹性碰撞。光子在平面镜上反射时，也可把它当作弹性粒子。

“光既是波，又是粒子”，怎么理解呢？首先我们要肯定它是波，平常的波都是连续的，而光波不是。它是一份一份的不连续的波，我们把这一份一份的波叫作“波包”，就把这一个一个的波包当作一个一个的粒子，所以叫“光粒子”或简称“光子”（详细图解见附录图9）。

所以，光既具有波动性，又具有粒子性，合起来叫波粒二象性。这两种性质同时存在就叫波粒叠加态。但有时候主要体现为波动性，如在传播的时候以磁场变电场的方式在空中不断前进，这就是电磁波。但在与物质作用时又主要体现为粒子性，如光电效应中光子把电子打出来了，在反射时光碰到了反射物而被弹出去了。

光没有静止质量，它一方面是波，另一方面又是粒子，对于一些有静止质量的粒子如电子、质子等实物粒子，它们在高速运动时也是以波动的形式前进的，这种波我们把它叫“物质波”或叫“德布罗意波”，只不过粒子的质量越大，波动性越弱。